魯 民，李冰皓

（1.國電電力廣東新能源開發(fā)有限公司，廣東 珠海 519000；2.邢臺(tái)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 邢臺(tái) 054035）

1 引 言

我國已經(jīng)是一個(gè)集工業(yè)和制造業(yè)于一體的大國，其能源消耗量遠(yuǎn)大于其他國家。在全球氣候變暖的大背景下，能源成為限制我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸之一，如何利用新能源技術(shù)補(bǔ)充和逐步代替化石能源變得十分重要。大型城市群體的快速建設(shè)，使得電力供應(yīng)缺口逐年擴(kuò)大。針對(duì)能源短缺現(xiàn)狀，人們對(duì)新能源風(fēng)力發(fā)電空前關(guān)注，經(jīng)過近20 年快速發(fā)展，我國風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)具備相當(dāng)規(guī)模，其發(fā)電成本和超低污染也可以向常規(guī)能源發(fā)起挑戰(zhàn)。相信在不遠(yuǎn)的將來，新能源風(fēng)力發(fā)電在發(fā)電市場(chǎng)中將占據(jù)舉足輕重的位置，成為經(jīng)濟(jì)發(fā)展的強(qiáng)力助推器。然而，盡管國家在風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)投入大量資金，但由于風(fēng)場(chǎng)地廣人稀、來流風(fēng)速隨機(jī)等原因，有諸多問題仍然存在于風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)中[1]。本文在風(fēng)電控制系統(tǒng)中引入自適應(yīng)控制的方案，定能取得明顯的控制效果。

2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組工作流程

風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)一般是由許多大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組構(gòu)成，就目前設(shè)施配置情況而言，常見的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組由風(fēng)力機(jī)、傳動(dòng)、制動(dòng)、變槳距系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)以及電子控制系統(tǒng)組成。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的工作原理，將捕獲的風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，之后轉(zhuǎn)換為電能進(jìn)行有效輸出。首先是風(fēng)機(jī)葉片需通過大于3m/s 風(fēng)帶動(dòng)，發(fā)電機(jī)內(nèi)部線圈做切割磁感線運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而可產(chǎn)生感應(yīng)電流，儲(chǔ)能裝置用電能的形式進(jìn)行儲(chǔ)存。此外，儲(chǔ)能電池平穩(wěn)負(fù)荷波動(dòng)，對(duì)風(fēng)力機(jī)組并網(wǎng)環(huán)節(jié)的穩(wěn)定運(yùn)行，也尤為重要。

風(fēng)場(chǎng)發(fā)電系統(tǒng)的核心設(shè)備是風(fēng)力機(jī)，風(fēng)輪又是水平軸風(fēng)力機(jī)的最核心部件，風(fēng)輪葉片頂端線速與風(fēng)速之比為葉尖速比，是衡量風(fēng)機(jī)功率系數(shù)的重要參數(shù)。風(fēng)力機(jī)中的回轉(zhuǎn)體，在風(fēng)向發(fā)生變化時(shí)，確保機(jī)頭能水平旋轉(zhuǎn)，使風(fēng)輪迎風(fēng)轉(zhuǎn)動(dòng)。風(fēng)輪轉(zhuǎn)速常常較慢，通過傳動(dòng)系統(tǒng)提高轉(zhuǎn)數(shù)，進(jìn)而與發(fā)電機(jī)所需高轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)匹配。制動(dòng)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)組運(yùn)行到停機(jī)的切換，是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組不受控情況下最后一道安全屏障，分運(yùn)動(dòng)制動(dòng)和突發(fā)制動(dòng)兩種制動(dòng)方式。目前，變槳距系統(tǒng)已經(jīng)在風(fēng)力機(jī)組中廣泛應(yīng)用，它主要是通過調(diào)節(jié)風(fēng)輪葉片和氣流之間的攻角，在風(fēng)速較小時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)能捕獲，風(fēng)速超過額定時(shí)，增大攻角控制風(fēng)輪轉(zhuǎn)速。與之對(duì)應(yīng)的定槳距系統(tǒng)在機(jī)組起動(dòng)、制動(dòng)、風(fēng)能利用系數(shù)方面，效率遠(yuǎn)不及變槳距系統(tǒng)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)類型較多，可大致分為分為直流型和交流型。

3 自適應(yīng)控制技術(shù)的應(yīng)用

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)備種類繁多，是一個(gè)綜合復(fù)雜系統(tǒng)，一旦子系統(tǒng)出現(xiàn)問題，極有可能對(duì)全部系統(tǒng)正常工作產(chǎn)生影響。綜合控制系統(tǒng)能夠依據(jù)風(fēng)速大小自動(dòng)進(jìn)入啟動(dòng)模式或電網(wǎng)切出；電網(wǎng)發(fā)生突發(fā)故障時(shí)，可及時(shí)確保機(jī)組安全停機(jī)；機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)間節(jié)點(diǎn)內(nèi)，確保負(fù)荷、風(fēng)況、工況運(yùn)行全監(jiān)控和記錄，可自行判斷異常情況并啟動(dòng)保護(hù)；對(duì)于風(fēng)力機(jī)分散分布的實(shí)際特點(diǎn)，還應(yīng)具備遠(yuǎn)程DCS 通信功能，實(shí)時(shí)異地操作。綜合控制系統(tǒng)要監(jiān)控風(fēng)況、風(fēng)向、機(jī)組運(yùn)行效率、負(fù)載隨機(jī)性、發(fā)電量、并網(wǎng)條件等諸多指標(biāo)，才能組成一個(gè)完備的方案[2]。

風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)易受到風(fēng)能的影響，風(fēng)能參數(shù)伴隨諸多不確定性，兼具時(shí)變、隨機(jī)等特性，建立完善有效的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)模型極為困難。為使系統(tǒng)保持在最優(yōu)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)能的有效捕捉，減少不確定因素的影響，筆者提出在綜合控制系統(tǒng)中的兩個(gè)環(huán)節(jié)引入自適應(yīng)控制方案，視外界因素變化進(jìn)而動(dòng)態(tài)調(diào)整，優(yōu)勢(shì)凸顯，發(fā)電效率提升。

3.1 在風(fēng)力渦輪輸出功率P 和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速ω，當(dāng)前風(fēng)速V 之間建立自適應(yīng)機(jī)制

建立在風(fēng)力渦輪的輸出功率P 和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速ω 之間的關(guān)系，隨來流風(fēng)速的變化而變化。風(fēng)速V處于某一恒定值時(shí)，系統(tǒng)中的發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速ω，必存在某個(gè)特定ωt，讓渦輪輸出功率P 處于最大值Pmax。因?qū)嶋H發(fā)電過程中，風(fēng)速保持恒定是理想狀態(tài)，風(fēng)速一般實(shí)時(shí)發(fā)生動(dòng)態(tài)波動(dòng)變化，故渦輪輸出功率最大值Pmax隨風(fēng)速的變化動(dòng)態(tài)漂移[3]。風(fēng)速變化后，如果使Pmax保持不變，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速ω 要做調(diào)整處理。因三者間建立的非線性關(guān)系，傳統(tǒng)的PID 控制、模糊控制調(diào)整過程復(fù)雜，不能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制。

在系統(tǒng)中加裝自適應(yīng)控制器，在風(fēng)力干擾因素改變的同時(shí)，自適應(yīng)控制單元對(duì)被控裝置的內(nèi)部不確定參數(shù)動(dòng)態(tài)、持續(xù)預(yù)估。同時(shí)，線性化模塊利用之前反饋估算參數(shù)對(duì)被控設(shè)施的非線性進(jìn)行有效消除。通過的自適應(yīng)機(jī)制調(diào)整參數(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)輸出功率最大值Pmax，優(yōu)化整個(gè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)發(fā)電效率的最大化。

3.2 在發(fā)電機(jī)的輸出功率P 和變槳距系統(tǒng)的攻角θ 之間建立自適應(yīng)機(jī)制

變槳距系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)改變?nèi)~片和氣流之間的攻角，將風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率提高，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)組功率輸出的控制，在亟需機(jī)組停機(jī)時(shí)還可以提供空氣動(dòng)力制動(dòng)。本文所構(gòu)建的自適應(yīng)調(diào)節(jié)機(jī)制，輸入量采用發(fā)電機(jī)的輸出功率或輸出功率的變化量，輸出量采用槳距角變化量，加裝模糊自適應(yīng)PID控制器，其控制結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 風(fēng)力發(fā)電模糊自適應(yīng)PID 控制結(jié)構(gòu)圖

與傳統(tǒng)的火力、水利發(fā)電相比，風(fēng)力發(fā)電過程中，極易受到風(fēng)能影響，運(yùn)行環(huán)節(jié)存在不確定性較多。在本環(huán)節(jié)中，單純加入PID 控制器工作穩(wěn)定性強(qiáng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但考慮到風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中突出存在的設(shè)定值和抑制擾動(dòng)值，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)和靜態(tài)固化，系統(tǒng)魯棒性和控制穩(wěn)定性之間的矛盾，其不能很好解決問題。另外，單獨(dú)模糊控制具適應(yīng)性強(qiáng)和過程平滑過渡的優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)于靜態(tài)誤差克服能力較弱。

基于以上二者優(yōu)缺點(diǎn)，將兩者進(jìn)行有效結(jié)合，選用模糊自適應(yīng)PID 控制器方案。該方法的原理是提前將系統(tǒng)性能指標(biāo)、初始值、耦合度等先驗(yàn)知識(shí)備份到計(jì)算機(jī)知識(shí)庫中，然后對(duì)系統(tǒng)相應(yīng)進(jìn)行分析，匹配之前建立的模糊推理規(guī)則，將PID 參數(shù)自動(dòng)調(diào)整至最佳[4]。

模糊自適應(yīng)PID 控制器的工作流程： 構(gòu)建PID三項(xiàng)控制參數(shù) (kp、ki、kd) 和偏差e 與偏差變化率ec之間的模糊隸屬關(guān)系，在風(fēng)力發(fā)電過程中，對(duì)e 和ec 動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，運(yùn)用模糊推理，在線調(diào)整 kp、ki、kd三項(xiàng)參數(shù)，使之與系統(tǒng)要求最佳匹配，實(shí)現(xiàn)PID 參數(shù)自整定，整體滿足“穩(wěn)、準(zhǔn)、快”。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在加入該控制器后，發(fā)電機(jī)的輸出功率P 比之前同等情況下有顯著提高。

4 未來前景

風(fēng)力發(fā)電是一種采用清潔、可再生能源的新型發(fā)電方式。我國每年在能源消費(fèi)方面居世界前列，清潔能源的高效利用在節(jié)能減排、低碳環(huán)保方面都有十分重要的意義。但風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)大多建立在地廣人稀的區(qū)域，在風(fēng)況監(jiān)視、機(jī)組參數(shù)、優(yōu)化控制方面的問題較為復(fù)雜。風(fēng)力發(fā)電是大范圍、強(qiáng)風(fēng)速擾動(dòng)的非線性系統(tǒng)，正確把握平衡點(diǎn)位置，使整個(gè)控制系統(tǒng)視來流風(fēng)速的變化而變化尤為重要。

風(fēng)電系統(tǒng)中加入自適應(yīng)控制策略，是運(yùn)用智能化技術(shù)的一種類型，可以大大降低輸出功率隨機(jī)性，控制間歇性和波動(dòng)性，抑制擾動(dòng)。在控制系統(tǒng)中，加入智能化方案，是推進(jìn)發(fā)電能源清潔化、多重化的可靠保證，也是增強(qiáng)系統(tǒng)自愈和高效應(yīng)急的智能電網(wǎng)的核心力量[5]。因此，風(fēng)力發(fā)電中自適應(yīng)控制技術(shù)必將被廣泛應(yīng)用于各個(gè)環(huán)節(jié)，為打造我國“智能電網(wǎng)”提供有力支撐。

5 結(jié) 語

基于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)際情況，分析影響輸出功率的諸多因素。對(duì)于風(fēng)電系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型，考慮到多變量、隨機(jī)性、強(qiáng)耦合，提出在系統(tǒng)中的兩個(gè)環(huán)節(jié)加入自適應(yīng)控制技術(shù)。

第一項(xiàng)是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)檢測(cè)，在線干預(yù)，消除非線性，提升效率；第二項(xiàng)的整體目標(biāo)是使該系統(tǒng)對(duì)過程參數(shù)的變化，以及對(duì)難以建立模型環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)過程感知度降低，實(shí)現(xiàn)“穩(wěn)、準(zhǔn)、快”的目標(biāo)。我國未來電力能源中，風(fēng)力發(fā)電的地位會(huì)呈現(xiàn)逐年提高趨勢(shì)。引入智能化控制技術(shù)，保障風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)運(yùn)行高效穩(wěn)定，是打造風(fēng)電引領(lǐng)的重要途徑。